Аналитическое исследование конструкций индикаторов

С. М. Латыев, Г. В. Егоров, С. С. Митрофанов, А. М. Бурбаев, А. А. Воронин, Ю. А. Соколов

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Учебное пособие

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Конструирование и юстировка приборов и систем оптотехники»

Санкт-Петербург

Латыев С. М., Егоров Г. В., Митрофанов С. С., Бурбаев А. М.,. Воронин А. А,

Соколов Ю. А. Конструкторско-технологические методы и средства обеспечения показателей качества оптико-электронных приборов и систем: Учебное пособие к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптические и оптико-электронные системы и приборы ». – СПб: СПБНИУ ИТМО, 2012. – 107 с.

Учебное пособие предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 200400- Оптотехника

В данном учебном пособии приводится описание лабораторных работ, которые посвящены вопросам проектно-конструкторских и компенсационных (юстировочных) методов и приемов повышения показателей качества изделий оптотехники. Наряду с изучением и теоретическим анализом возможных конструктивных решений студенты знакомятся с практическими методами юстировки, измерений и аттестации оптико-электронных приборов и функциональных устройств.

Рекомендовано к печати Ученым советом ФОИСТ от______2012 г., протокол № _____.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 200400 – «Оптотехника» и дипломированных специалистов по специальности 200401 – «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения»».

Ó Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, 2012

ÓС. М. Латыев, Г. В. Егоров, С. С. Митрофанов, А. М. Бурбаев,

А. А. Воронин, Ю. А. Соколов, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа 1.Аналитическое исследование конструкций

индикаторов линейных перемещений …………………………………………….…… 4

Лабораторная работа 2. Составление и анализ функциональных

(кинематических) схем приводов оптико-электронных приборов ………..………… 10

Лабораторная работа 3. Калибровка цифрового измерительного проектора ………. 16

Лабораторная работа 4. Исследование точности работы шагового двигателя ………22

Лабораторная работа 5.Центрировка кругового растра по осциллографу …………. 28

Лабораторная работа 6. Изучение конструкции и практическая работа на сферометре………………………………………………………………………………. 34

Лабораторная работа 7. Устройство и исследование точности функционирования индикатора на основе фотоприемника мультискан ……………………………….… 43

Лабораторная работа 8. Моделирование и исследование работы позиционно-чувствительного датчика линейных перемещений на базе ПЗС-линейки……….….52

Лабораторная работа 9. Теоретическое и экспериментальное исследование подвижных цепей юстировочных устройств оптических приборов для угловых подвижек…………………………………….…………………………………….….…65

Лабораторная работа 10. Юстировка и исследование компенсатора стабилизации линии визирования нивелира "NI 007" …………………………………………….… 83

Лабораторная работа 11. Исследование и макетирование измерительных цепей оптиметров ……………………………………………………………………………. 93

Лабораторная работа 12. Моделирование, исследование и линейная компенсация систематических погрешностей измерительных цепей конструкторским методом

(на примере линзового устройства отклонения световых лучей дальномера)……112

Методические указания по выполнению, оформлению и защите

лабораторных работ…………………………………………………...………………123

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИНДИКАТОРОВ

ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является изучение конструкций современных индикаторов и способов повышения их целевых показателей качества

ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Ознакомиться с назначением и принципом работы индикаторов;

2. Изучить функциональные схемы механических и оптико-электронных индикаторов, приведенных в описании работы (рис.1) и вывести законы их функционирования;

3. Для каждого из этих индикаторов следует выявить основные первичные погрешности и оценить их потенциальную точность работы;

4. Перечислите и охарактеризуйте возможные способы повышения точности их работы;

5. Составьте функциональную схему индикатора, изображенного на рис. 2.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Индикаторы линейных перемещений предназначены для контроля и измерения положений, размеров и биений различных объектов.

Конструкция индикатора содержит измерительный шток (пиноль), контактирующий с контролируемым объектом, линейное перемещение которого в направляющих преобразуется механическими, оптико-механическими, оптико-электронными, емкостными или индуктивными элементами индикатора в отсчет, определяющий искомую характеристику объекта.

Промышленность производит разнообразные индикаторы, представляющие собой приборы или автономные измерительные (функциональные) устройства. Наибольшее распространение получили механические и оптико-электронные индикаторы (рис.1).

Механические индикаторы часового и микронного типа исторически были изобретены первыми и основаны на зубчатых и рычажных механизмах (ГОСТ577-68, ГОСТ 5584-75).

На рис. 1а изображена функциональная схема индикатора часового типа.

Здесь, перемещение измерительного штока 1 преобразуется с помощью реечно-зубчатой и зубчатых передач в поворот стрелок 2 и 4 шкал (точной 3 и грубой 5) индикатора, по которым снимается отсчет искомого значения перемещения. В классическом индикаторе часового типа конструктивные параметры звеньев и элементов, входящих в закон функционирования имеют следующие значения:

- число зубьев колес z₁ = 16 (модуль зацепления m= 0,199мм), z₂ =100,z₃ =10, z₄ = 100;

- число делений точной шкалы n_т=100 (цена деления 0,01мм), грубой -10 (цена деления 1мм);

- диапазон измерений 0-10мм, 0-25мм, 0-50мм.

Так как этот индикатор имеет ряд технологических, теоретических и эксплуатационных погрешностей, то точность его функционирования не очень высока (суммарная погрешность измерений на всем диапазоне достигает 10-30мкм).

Рис. 1. Функциональные схемы индикаторов

Более высокую точность измерений (до 1-2мкм) позволяют получить рычажно-зубчатые микронные индикаторы (в которых перед реечной передачей установлен двуплечий рычаг с передаточным отношением 1:10, либо реечная передача заменена на рычажную), однако они имеют существенно меньший диапазон измерений (как правило, не более 2мм).

На рис. 1б представлена схема современного оптико-электронного индикатора, основанного на растрах [1]. В нём перемещение измерительного штока 1 преобразуется с помощью измерительного 2 и индикаторного 3 оптических растров в аналоговые (квазисинусоидальные) электрические квадратурные сигналы с фотоприемников, преобразуемые затем в счетные электрические импульсы с ценой деления, определяемой периодом T деления растров и коэффициентомkделения интерполятора [2,3,4,5]. Отсчет, полученный с помощью аналого-цифрового преобразователя, выводится на жидкокристаллический дисплей индикатора, либо на дисплей компьютера.

Данные индикаторы позволяют автоматизировать процесс измерения, имеют большой диапазон работы (до 40 и более мм), высокую чувствительность (дискретность отсчета до 0,1 мкм), обладают высокой точностью измерений на всем диапазоне (в зависимости от класса исполнения с предельной погрешностью до 1-5 мкм).

В настоящее время появились индикаторы, основанные на позиционно-чувствительных фотоприемниках (ПЗС-линейке, «Мультискане», «PSD» фирмы «Hamamatsy» [6,7]).

На рис. 1в изображена функциональная схема индикатора в котором перемещение измерительного штока 1 преобразуется позиционно-чувствительным приемником 2 типа «Мультискан» в аналоговый электрический сигнал (электрическое напряжение, снимаемое с фотоприемника). Это напряжение U, при смещении световой зоны (создаваемой светодиодом) на величину y по чувствительной площадке фотоприемника, изменяется от нуля вольт до максимального значения, равного опорному напряжению U₀

U = (U₀/L₀ )y,

где L₀ - длина чувствительной площадки приемника.

Достоинством этого индикатора является то, что он имеет более простую конструкцию, не требует тщательной юстировки и основан на унифицированных элементах (фотоприемник, светодиод, стандартный блок питания, АЦП, контроллер). Точность измерения определяется, главным образом, нелинейностью и нестабильностью позиционно-чувствительного приемника и примерно достигает точности индикатора, основанного на растрах.

В случаях, когда требуется более высокая чувствительность и точность измерений (наноизмерения), в индикаторе используют миниатюрный интерферометр, встроенный в его корпус.

На рис. 2 представлен внешний вид подобного индикатора для контроля концевых мер длины, основанный на лазерном интерферометре Майкельсона [8].

Рис. 2. Контроль концевых мер длины индикатором на основе интерферометра Майкельсона

В качестве когерентного источника излучения используется стабилизированный гелий-неоновый лазер, находящийся в отдельном оптоэлектронном блоке, связанный с индикатором оптоволоконным жгутом. Измерительный интерференционный сигнал (также по волоконному кабелю) передается в оптоэлектронный блок для формирования результатов измерения (в некоторых вариантах исполнения индикатора фотоприемники интерференционного сигнала находятся в его корпусе).

Диапазон измерения 0- 20 или 0-50 мм. Дискретность отсчета 1нм.

При работе индикатора предусмотрена компенсация погрешностей, возникающих из-за колебания температуры, давления и влажности воздуха.

Перемещение измерительного штока автоматизировано с помощью встроенного в корпус индикатора электропривода.

Типовая конструкция индикатора, основанного на растрах (см. рис. 1б) представлена на рис. 3 [1].

Здесь: 4- несущий корпус индикатора; 3- направляющая измерительного штока 1; 5- измерительный растр (закрепленный на измерительном штоке); 6- индикаторный растр; 7- плата осветителей (светодиодов); 8 – плата с фотоприемниками; 14- пружина, обеспечивающая силовое замыкание штока на объект измерения.

Рис. 3. Конструкция индикатора ЛИР 14

В вышеописанных индикаторах осуществляется контроль объекта только по одной координате при механическом контакте измерительного штока (пиноли) с объектом измерения. В случаях, когда требуется измерение большего числа (2-6) координат объекта, используются другие измерительные приборы (например, двух и трёх координатные измерительные машины, гексаподы (Hexapoden)), а для неконтактных измерений применяются микроскопы, автоколлиматоры, интерферометры, цифровые оптические проекторы и т.д. [8,9].